鄂尔多斯职业学院,内蒙古 鄂尔多斯市 017000
摘要:循环流化床锅炉因其污染低、脱硫效率高等多种优势而被认可。但因其技术不成熟而导致排灰口结焦较高等多种问题,本文利用CFD对其燃烧系统动态特性进行深入研究,以期解决现今循环流化床锅炉存在的应用缺陷,为其设计以及运行优化提供重要的理论指导。
关键词:循环流化床锅炉;FLUENT;燃烧特性
1 引言
现阶段,循环流化床锅炉因其具有污染低、效率高等多种优势,得到了相关专家学者的广泛认可[1]。但因技术较新,对其的研究还不够深入,不能充分发挥其多种优势,导致排灰口结焦、N2O排放量较高等多种问题[2]。针对以上问题,Ma Suxia提出了一种新的循环流化床锅炉燃烧系统动态特性分析方法[3]。该方法是以75t/h循环流化床锅炉的炉内温度分布为基础,获取相关运行参数,分析最终结果,但该法所考虑的要素过多,存在特性分析时间较长等诸多问题。本文为了解决以上问题,利用FLUENT建立数学模型,进行仿真模拟,从而为循环流化床锅炉操作参数的优化提供理论指导。
2构建循环床锅炉燃烧系统数学模型
本次建模研究利用FLUENT软件进行,因循环流化床锅炉内的气体流动在沿着炉膛方向上有速度的变化,一般都作为湍流来处理,因此,锅炉内的各物理参数都会随空间和时间的变化而发生变化,炉内气相流动永远遵循质量守恒、动量守恒及能量守恒三大定律,所以气相湍流选用标准K-ε双方程模型。对于流化床内部的气固两相流动,本课题采用的是离散颗粒模型,也就是拉格朗日随机颗粒模型,即使当颗粒有比较复杂的变化过程时,该模型也能较好的追踪到颗粒的运动轨迹,考虑了流体湍流脉动对颗粒的影响,数值计算过程一般不会发生伪扩散。因为煤颗粒进入炉膛后,经历的加热、干燥、挥发分析出并燃烧、焦炭的燃烧等的过程,其中挥发分析出并燃烧是复杂的过程,首先,煤颗粒被加热到高温后分解,此过程中,会产生大量的气态物质,我们称作热解,热解之后会产生焦油和气体,笔者选用的是两步竞争反应模型。挥发分析出之后,就是多孔性结构的焦炭,这时,颗粒就要开始进行表面反应,而焦炭燃烧属于气固非均相燃烧,可能发生在外部表面,也可能发生在焦炭内部的气孔表面上,流化床中,由于流动的特征,所以焦炭燃烧即与扩散有关,还与反应动力学因素有关,所以本文采用的是动力/扩散控制反应速率模型。循环流化床锅炉中,火的温度一般在900℃,因此,我们也需要模拟炉内的辐射换热过程,本文选用以热流法为基础的P-1模型。其余编程接入。
3 循环流化床锅炉燃烧系统动态特性分析
以循环床锅炉流动参数和热力参数为基础,沿炉膛高度方向对炉膛区域进行划分,具体划分结果见笔者其他文章。
3.1 燃用褐煤时的模拟结果分析
1.温度场分布:通过模拟得到,炉膛温度出现中间高两边低的状态,且约在炉膛高度为2米的地方出现了温度为1130℃的高温区域,分析认为,这是因为密相区内煤粉颗粒浓度较高,属于富燃料区,炉内二次分吹入后,煤粉颗粒得到了充足的氧气,进行了富氧燃烧,因此温度达到最高,而且因为炉内四周布置水冷壁,再者,随着高度的增加,气流的速度逐渐下降,所以温度会随着炉膛高度的上升而下降。
2.混合分数分布:气体和燃煤颗粒的混合程度能很好的体现煤颗粒的燃烧程度,在高度约2米的区域混合分数最高,分析认为,此处煤粉颗粒浓度高,二次风以较高速度送入炉膛,氧气浓度较高,使的风粉颗粒混合较为充分,在高度4米以下,混合分数都较高,再随着炉膛高度的增加,混合分数下降,因为上面属于稀相区,风粉比例较大。
3.焦炭燃尽情况:通过仿真得到,大约在炉膛高度5米的区域出现了焦炭燃烧的过程,分析认为煤粉进入炉膛之后,先经过密相区的加热、干燥的过程,挥发分析出并燃烧,待挥发分燃烧基本完全后,焦炭开始燃烧,但当煤的粒径相对较大时,焦炭的燃烧过程出现的也会相对较晚些,粒径小一些的颗粒,进入炉膛后,燃烧过程会很快,燃烧相对完全。
4.组分分布:随着炉膛高度的增加,CO2的浓度越来越高,但在密相区增加较快,后来的增加速度逐渐平缓,与CO2的浓度变化相似的还有O2,只是O2的浓度是随着炉膛高度的增加而降低,但在稀相区降低的也较为平缓,分析认为密相区挥发分析出并燃烧,在加之富氧区,焦炭也开始燃烧,消耗大量O2,产生CO2,造成CO2和O2的变化较快,到了稀相区燃烧缓慢,所以变化较为平缓。
3.2 改用无烟煤后的结果分析
无烟煤和褐煤相比,埋藏年代最久,碳化程度最深、挥发分最低。典型无烟煤具有灰熔点高和低挥发分、低灰分和低含硫量的特点。但当锅炉燃烧无烟煤时,在约炉膛高度4米处,温度水平没有明显变化,而随着炉膛高度的增加温度随之上升,这样的情况与燃用褐煤不一样,分析认为,无烟煤含碳量高,料层温度不足以将无烟煤加热到它的着火点,所以炉膛高度较低时,温度也较低,随着炉膛高度的增加,无烟煤开始逐渐燃烧,放出热量,温度逐渐上升。
4 结论
本文在模拟循环流化床锅炉时,气相湍流模型选用标准K-ε双方程模型,气固两相流动模型选用基于拉格朗日方法的随机颗粒模型,挥发分析出、燃烧采用两步竞争反应模型,焦炭燃烧模型采用动力/扩散控制反应速率模型,通过仿真得到,虽然循化流化床锅炉煤种适应性广,但对于一台设计好的循环流化床锅炉,并不能很好、高效率燃烧所有煤种,尤其是煤种从褐煤改为无烟煤时,锅炉效率会降低,燃烧不完全、灰分含碳量会升高。
参考文献:
[1]Li Guoqiang, Qi Xiaobin, Chen Bin, Zhang Lu. Modeling Research of a CFB Boiler Combustion System Based on Neural Network[J]. Journal Of Chinese Society Of Power Engineering, 2018, 38(6):440-446.
[2]Chang Taihua, Zhang Qi, Gao Mingming. Optimal Control in Circulating Fluidized Bed Combustion Systems[J]. Techniques of Automation and Applications, 2017, 36(6):22-25.
[3]Ma Suxia, Yang Xianyong. Study on Dynamic Behavior of the Combustion System of a Circulating Fluidized Bed Boiler[J]. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering, 2018, 36(9):1-6.
基金项目:2019年度内蒙古自治区高等学校科学研究项目:循环流化床锅炉流动和燃烧特性的建模研究,项目编号:NJZY19319。2020年度内蒙古自治区高等学校科学研究项目,项目编号:NJZY20218。